Zpětná vazba v zesilovačích je aplikace části (nebo celého) výstupního signálu na jeho vstup. Zpětná vazba se obvykle vytváří v zesilovačích záměrně. Elektrická zpětná vazba, ke které dochází náhodně v důsledku nedokonalostí obvodu, se nazývá parazitní. Zpětné vazby jsou pozitivní zpětné vazby (p.o.s.) a negativní zpětné vazby (n.o.s.). Níže je obvod zpětné vazby napětí:
Navzdory snížení zisku se negativní zpětná vazba v zesilovačích používá velmi často, protože:
a) stabilita zesílení zesilovače se zvyšuje, když se mění charakteristiky transformátorů;
b) úroveň nelineárních zkreslení je snížena;
c) vstupní impedance zesilovače se zvyšuje a výstupní impedance klesá.
Když je zesilovač řízen zátěží, dochází k výstupní proudové zpětné vazbě, která se nazývá sériová proudová zpětná vazba.
Obrázek 13.14 – Obvod sériové proudové zpětné vazby
Toto zapojení zvyšuje vstupní a výstupní odpor zesilovače a nemění jeho napěťové zesílení v klidovém režimu, ale snižuje výstupní proud zvýšením výstupního odporu.
Uvádíme některé typy parazitní zpětné vazby:
Parazitní zpětná vazba mezi stupni přes silové obvody je eliminována použitím RC filtrů ve tvaru písmene L, jako při vyhlazování vlnění.
Racionální instalací a stíněním prvních stupňů zesilovače je eliminována kapacitní (elektrostatická) vazba způsobená parazitními kapacitami mezi výstupem a vstupem zesilovače.
Magnetická vazba, která se objevuje, když jsou vstupní a výstupní transformátory zesilovače blízko u sebe, je eliminována racionální instalací a stíněním prvních stupňů zesilovače.
13.1.6 DC zesilovače
Při provádění elektrických měření v automatizačních systémech je nutné zesílit signály o velmi nízkých frekvencích, které tvoří zlomky hertzů. To vyžaduje zesilovače, které mají konstantní frekvenční odezvu až do nejnižších frekvencí. Takové zesilovače se nazývají zesilovače stejnosměrného proudu (DCA).
Obrázek 13.15 – Přibližný pohled na amplitudově-frekvenční odezvu
Další požadavky na UPT lze formulovat takto:
– pokud není žádný vstupní signál, neměl by být žádný výstupní signál;
– změna znaménka vstupního signálu by měla vést ke změně znaménka výstupního signálu;
– napětí zátěže musí být úměrné vstupnímu napětí.
Druhý a třetí požadavek na zesilovače jsou splněny, když zesilovač pracuje v А. Pro splnění první podmínky je nutné oddělit užitečný výstupní signál od přímých složek proudu a napětí tranzistoru. V UPT se to provádí kompenzační metodou pomocí jednoho nebo dvou zdrojů energie.
Obrázek 13.16 – Obvod stejnosměrného zesilovače s jedním napájecím zdrojem (zdroji) a
časové diagramy jeho práce (b)
V UPT je tzv. „nulový drift“, který určuje spodní hranici zesílených napětí. „Nulový drift“ je spojen se změnami proudů a napětí na elektrodách tranzistorů v průběhu času. Pro boj s „nulovým posunem“ jsou přijata následující opatření: stabilizovat napájecí napětí, teplotní podmínky a „trénovat“ tranzistory; používat diferenciální (vyvážené) obvody UPT; převést zesílené napětí.
Diferenciální (symetrické) obvody UPT jsou postaveny na principu čtyřramenného můstku, ve kterém jsou místo dvou rezistorů zapojeny dva tranzistory.
Obrázek 13.17 – Schéma čtyřramenného odporového můstku
Pokud je můstek vyvážený, pak při výměně ЕК rovnováha napětí nebo proudů není narušena a proud ano Rн rovna nule.
Obrázek 13.18 – Symetrické (a) a asymetrické (b) diferenciální obvody
V diferenciálním zesilovači R2 = R3a RH slouží k vyrovnání kaskády (k nastavení nuly). Obvod diferenciálního zesilovače s jedním koncem má velký „drift“ a používá se, když je potřeba získat výstupní napětí vzhledem ke společné svorce.
Asymetrický zesilovací stupeň má na výstupu střední dělič napětí pro zajištění změny polarity výstupního signálu, například pro reverzaci elektromotoru automatizačního aktuátoru.
Ve vícestupňových zesilovačích se pro zvýšení zisku prvního stupně často používají kompozitní tranzistory a speciální tranzistory se ziskem 1000 ÷ 2000.
Operační zesilovač je stejnosměrný diferenciální zesilovač s vysokým ziskem určený k provádění různých operací s analogovými veličinami při provozu v obvodech se zápornou zpětnou vazbou.
a) – se sériovou napěťovou zpětnou vazbou; b) – se sériovou proudovou zpětnou vazbou; c) – s paralelní napěťovou zpětnou vazbou
Obrázek 13.19 – Bloková schémata operačních zesilovačů se záporem
Třetí metoda snížení driftu je založena na dvojité konverzi zesíleného napětí:
Obrázek 13.20 – Blokové schéma UPT s převodem spektra signálu
Modulátor má proměnlivé vstupní napětí UVX převedeno na střídavé napětí U1 s f = 50 – 200 MHz, který je zesílen konvenčním zesilovačem střídavého napětí (VPA). Demodulátor převádí U2 в UVÝSTUP, tvarově odpovídající napětí UVX.
Stabilizací napětí sekundárního zdroje s chybou ±0,01 % a teplotní stabilizací s chybou ±1 0 C je možné snížit „drift“ zesilovače na UDR = 5-20 mV na t = -50 +50 С.
Obrázek 13.21 – Schematické schéma modulátoru
Obrázek 13.22 – Časový diagram provozu modulátoru
Řídicí referenční napětí UOP. ve formě obdélníkových impulsů je přiváděn mezi společný pin 5 a řídicí piny 2 a 6. Při přivedení přímého (otvíracího) přechodového napětí na kolektorové přechody tranzistorů je tranzistorový chopper otevřený a odpor mezi piny 3 a 7 je nízká. Když je na kolektorové spoje přivedeno zpětné napětí, spínač je sepnutý a odpor mezi kolíky 3 a 7 je vysoký.
S kladnou polaritou referenčního napětí UOP. klíč je zavřený a výstupní napětí se rovná vstupnímu napětí; když je polarita referenčního napětí záporná, tranzistorový spínač je rozpojený a výstupní napětí je nulové.
Uvažujme obvod demodulátoru využívající tranzistory.
Obrázek 13.23 – Schematické schéma demodulátoru
Obrázek 13.24 – Časový diagram provozu demodulátoru
Vstup demodulátoru přijímá střídavé modulované napětí U2 a referenční napětí UOP.. Na rezistoru R2 napětí se skládá z unipolárních impulsů procházejících modulátorem. Výstupní napětí za RC filtrem RфCф tvarově odpovídá vstupnímu napětí.
Pomocí operačních zesilovačů pokrytých negativní zpětnou vazbou je možné realizovat různé matematické operace (součet, derivace, integrace). Níže jsou uvedena bloková schémata takových operačních zesilovačů.
Obrázek 13.25 – Součtový obvod operačního zesilovače
Obrázek 13.26 – Integrační obvod operačního zesilovače
Obrázek 13.27 – Obvod derivačního operačního zesilovače
13.1.7 Selektivní zesilovače
V praxi je často nutné provést selektivní zesílení, oddělit jeden „užitečný“ signál od několika vstupních signálů. Kromě toho musí být současně utlumeny další výstupní signály. Užitečný signál je izolován ve všech vícekanálových komunikačních systémech, včetně příjmu rozhlasových a televizních programů, a v automatických monitorovacích a řídicích systémech. Takové selektivní zesílení je vytvářeno speciálními selektivními zesilovači (SA), ve kterých je poměr vysokých a nízkých frekvencí roven:
Taková ostrá závislost zesílení na frekvenci je zpravidla dosažena zařazením speciálních filtrů do obvodu zesilovače nebo do obvodu zpětné vazby, např. RC – filtry. Při sériovém zapojení filtru se používají LC filtry, jejichž příkladem je běžný rezonanční obvod.
Použití RC – obvody (čtyřkoncové sítě) je založeno na jejich vlastnosti generovat pulzní signály s vhodným uspořádáním integračních a diferenciačních RC – řetězy. Zahrnutím těchto obvodů do zpětné vazby zesilovače se zúží frekvenční rozsah zesíleného napětí. Obecná forma RC – filtry jsou uvedeny níže.
a), b) – RC tvaru L – řetězy; c) – Vídeňský most; d) – dvojitý můstek ve tvaru T
Obrázek 13.28 – Frekvenčně závislá schémata zapojení
1 – frekvenční charakteristika operačního zesilovače; 2 – frekvenční odezva zpětné vazby
Obrázek 13.29 – Obvod selektivního zesilovače s dvojitým T-můstkem
obvod záporné zpětné vazby (a) a jeho amplituda-frekvence
Obrázek 13.30 – Selektivní zesilovací obvod s celočíselným derivováním
Pro provoz na vysokých frekvencích DUT s RC– filtry jsou nevhodné z důvodu nutnosti použití odporů a kondenzátorů s malým odporem a nízkou kapacitou. V tomto případě se používá IU s LC–filtry (rezonanční obvody).
Níže jsou uvedeny obvody jednostupňových selektivních tranzistorových zesilovačů s paralelním rezonančním obvodem.
Obrázek 13.31 – Obvody jednostupňových selektivních zesilovačů s rezonancí
obvod zapojený do série se zdrojem energie
Zde je v kolektorovém obvodu tranzistoru místo rezistoru zařazen paralelní rezonanční obvod RК (RС). Účel zbývajících prvků je obdobný jako u jednostupňového zesilovače se společným emitorem (zdrojem).
Při analýze činnosti rezonančních zesilovačů hraje důležitou roli faktor kvality
Navíc, čím vyšší je faktor kvality, tím ostřejší je vrchol v amplitudově-frekvenční charakteristice rezonančního obvodu.
Proto je při návrhu DUT nutné použít obvody s vysokým činitelem kvality. Na frekvencích 50 kHz – 5 MHz lze vytvořit obrysy s faktorem kvality Q = 50 – 200a v případě feritových jader – s faktorem kvality až 500.
13.1.8 Výkonové zesilovače
Dříve diskutované zesilovače poskytují výstupní signály, jejichž výkon výrazně převyšuje výkon vstupních signálů. Pro většinu z nich je však hlavním ukazatelem výkonu napěťové zesílení a pro sledovač emitoru (zdroje) proudový zisk. Zesilovací stupně, které zajišťují maximální příjem výkonu v zátěžovém zařízení, se nazývají výkonové zesilovače. Zatěžovací zařízení jsou obvykle elektromotory, relé a další prvky elektrických obvodů, které mají nízký odpor. Hlavní charakteristikou činnosti výkonového zesilovače je zesílení výkonu Кp.
Získání maximálního výkonu v zátěžovém zařízení je možné za předpokladu, že zátěžový odpor je roven výstupnímu odporu zesilovacího stupně. Výstupní impedance RVÝSTUP stupně zesilovače se společným emitorem a společným zdrojem jsou přibližně stovky ohmů a několik kohmů a zatěžovací odpor je mnohem menší. Aby odpor zátěže odpovídal RVÝSTUP Snižovací transformátory se používají ke zvýšení výkonu zesílení.
Při určitém transformačním poměru jsou dosaženy podmínky pro získání maximálního výkonu při zátěži. Tato podmínka bude splněna, když
Velký význam pro výkonové zesilovače má Účinnost, což je maximum v režimu B. V režimu В vznikají nelineární zkreslení, která jsou redukována speciálními push-pull výkonovými zesilovači (PA). V PA s jedním zakončením, které jsou jednostupňovým zesilovačem, se používá režim А.
Nejrozšířenější jsou jednocyklové a push-pull PA a také beztransformátorové PA. PA, napájený ze zdroje střídavého napětí, je sestaven podle podobných obvodů, ale mají své vlastní charakteristiky a jsou diskutovány níže.
Push-pull PA se skládá ze dvou symetrických ramen. Tranzistory jsou vybírány s charakteristikami, které jsou co nejblíže, aby pracovaly ve stejném režimu. Rozdílem je protifáze proudů a napětí v základních obvodech tranzistorů a výsledná protifáze střídavých proudů a napětí v obvodech kolektorů.
Obrázek 13.32 – Obvod výkonového zesilovače push-pull
Vstupní transformátor Tr.VH poskytuje dva identické moduly, ale protifáze UVX1и UVX2. Výstupní transformátor Tr.VEN shrnuje proměnné výstupní proudy a napětí tranzistorů. K sekundárnímu vinutí transformátoru Tr.VEN je připojen zatěžovací odpor RH.
Výhody push-pull PA jsou patrné zejména v В: na vzniku se podílí každý transformátor UVÝSTUP pouze během jednoho polovičního cyklu. Tranzistory pracují jakoby střídavě a tvoří harmonické výstupní napětí ze dvou polovin sinusoid. Napětí zátěžového odporu RН úměrné magnetickému toku určenému magnetomotorickou silou F, takže napětí na výstupu zesilovače bude také harmonické.
Výhody push-pull výkonových zesilovačů jsou nižší nelineární zkreslení, protože vyšší harmonické složky jsou kompenzovány; možnost získat vysoké Účinnost při použití režimu B; Menší citlivost na zvlnění napájecího napětí.
Současně mají push-pull PA nevýhody kvůli složitosti jejich obvodu a konstrukce, například tranzistory musí mít shodné charakteristiky; přítomnost dvou protifázových vstupních napětí ve výstupním transformátoru s výstupem středního bodu primárního vinutí.
Beztransformátorový výkonový zesilovač, který je push-pull zesilovačem, je sestaven z různých typů tranzistorů: VТ2 – “p–n–p» и VТ1 – “n–p–n“. Jsou zapojeny podle schématu se společným kolektorem, protože to zajišťuje minimální RVÝSTUP, což je důležité při práci s nízkoodporovou zátěží. Bez ohledu na připojovací obvod tranzistorů musí být jejich charakteristiky shodné.
Obrázek 13.33 – Obvod výkonového zesilovače bez transformátoru
С1 odděluje zdroj signálu a vstupní obvod výkonového zesilovače stejnosměrným proudem, С2 – zatěžovací kondenzátor v emitorových obvodech tranzistorů. Hodnota kapacity se vybírá z podmínky.
Báze tranzistorů jsou ovlivněny totéž UVX, vzhledem k různým strukturám tranzistorů jsou však proudy v jejich obvodech mimo fázi. Odpor RH připojený ke společnému bodu tranzistorů, takže střídavé proudy v něm mají jeden směr a výsledný proud je 2násobek střídavého proudu jednoho tranzistoru. Beztransformátorový PA může pracovat v obou režimech Аa v režimu В.
Výkonové zesilovače napájené střídavým zdrojem
Tyto zesilovače se používají ve dvou případech:
Když je žádoucí zjednodušit zařízení a zajistit napájení přímo z elektrické sítě;
Když zátěžové zařízení pracuje ze zdroje se síťovou frekvencí, má užitečný signál stejnou frekvenci a je nutné získat výstupní napětí s přihlédnutím k fázi vstupního napětí (fázově citlivý zesilovač).
Výkonové zesilovače napájené ze zdroje střídavého napětí se obvykle provádějí pomocí push-pull obvodů dvou typů: se soufázovým a protifázovým napájením tranzistorů.
Koncept „zpětné vazby“ (FE) je v technologii široce používán. Zpětná vazba je vliv nějaké výstupní hodnoty na nějakou vstupní hodnotu, která zase výrazně ovlivňuje výstupní hodnotu (určuje tuto výstupní hodnotu). Zesilovače obvykle používají negativní zpětnou vazbu (NFB). V případě záporné zpětné vazby výstupní signál ovlivňuje vstupní signál tak, že vstupní signál klesá a v souladu s tím vede ke snížení výstupního signálu.
Negativní zpětná vazba, i když snižuje zisk, mění mnoho parametrů a charakteristik zesilovače. Zejména je zkreslení signálu sníženo v mnohem větším frekvenčním rozsahu; zisk se ukazuje jako nezávislý na frekvenci atd.
Klasifikace zpětné vazby v zesilovačích.
V zesilovači jsou následující 4 typy zpětné vazby, znázorněné na obr. 2.1:
Obrázek 2.1. typ obvodu s OOS
konzistentní v napětí (a);
paralelní napětí (b);
proud sekvenční (v);
paralelně v proudu (g).
Na Obr. 2.1. označeno: K – dopředný přenosový koeficient, neboli zesílení zesilovače bez zpětné vazby; – koeficient přenosu zpětnovazebního obvodu.
Chcete-li určit typ zpětné vazby (OS), musíte „zkratovat“ zátěž. Pokud se zároveň zpětnovazební signál dostane na nulu, pak je to zpětná vazba v napětí, pokud signál zpětné vazby neklesne na nulu, pak je to zpětná vazba v proudu. Při napěťové zpětné vazbě (obrázek 2.1 a) je zpětnovazební signál přicházející z výstupu zesilovače na vstup úměrný výstupnímu napětí. U proudové zpětné vazby (obrázek 2.1 c) je signál zpětné vazby úměrný výstupnímu proudu. U sériové zpětné vazby (s připočtením napětí) (obrázek 2.1 b) se jako zpětnovazební signál používá napětí, které se odečítá (pro zápornou zpětnou vazbu) od napětí externího vstupního signálu. Při paralelní zpětné vazbě (s připočtením proudů) (obrázek 2.1 d) se jako zpětnovazební signál používá proud, který se odečítá od proudu externího vstupního signálu.
Zesílení zesilovače pokrytého zpětnou vazbou je určeno vzorcem
kde je komplexní efektivní hodnota napětí
Veličina se nazývá hloubka zpětné vazby (faktor hrubosti obvodu) a veličina se nazývá zesílení smyčky. Pokud je hloubka zpětné vazby dostatečně velká, pak
Odtud můžeme vyvodit následující velmi důležitý závěr: pokud je hloubka negativní zpětné vazby dostatečně velká, pak zesílení zesilovače pokryté zpětnou vazbou závisí pouze na vlastnostech zpětnovazebního obvodu a nezávisí na vlastnostech zpětné vazby. přímý přenosový okruh.
Pojďme k napěťové zpětné vazbě. Zabraňuje změně výstupního napětí při změně odporu zátěže. To znamená, že zavedení záporné napěťové zpětné vazby snižuje výstupní impedanci zesilovače. Stejný závěr byl učiněn výše na základě získaného matematického vyjádření pro výstupní odpor. Lze ukázat, že průběh změny výstupního odporu nezávisí na tom, zda je zapojení paralelní nebo sériové. Pojďme k aktuální zpětné vazbě. Zabraňuje změně výstupního proudu při změně odporu zátěže. To znamená, že zavedení záporné proudové zpětné vazby zvyšuje výstupní impedanci. Navíc povaha změny výstupního odporu také nezávisí na tom, zda je připojení paralelní nebo sériové.
Podobné úvahy (a odpovídající matematické výrazy) ukazují, že paralelní zpětná vazba snižuje vstupní impedanci jím pokrytého zesilovače a sériová zpětná vazba ji zvyšuje. Povaha změny vstupního odporu nezávisí na tom, zda je zpětná vazba proudová nebo napěťová.
